CN113954275A - 一种热塑性复合材料一体化快速成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热塑性复合材料一体化快速成型方法，包括确定热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度和熔点温度；预浸料裁剪铺层；预浸料焊接处理得到预浸板；将成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上保温，铺防预浸板；将加热片组覆于预浸板上，加热片组温度在预浸板树脂基体的熔点温度以上；预浸料树脂基体熔融后，移除加热片组，冲压合模，保压固化；卸压脱模，将高温制品转运至室温模具中合模降温，制品冷却至玻璃化转变温度以下后，脱模获得制品。本发明所述的方法可在保证预浸料加热速率和温度均匀性的前提下，有效解决熔融态预浸板的转运问题，提高制品质量并缩短生产周期。
Description
技术领域
本发明属于热塑性复合材料成型技术领域，尤其是涉及一种热塑性复合材料一体化快速成型方法。
背景技术
研究表明，交通运输工具的轻量化是实现节能减排的重要途径。目前，轻量化方法主要包括先进成型工艺、结构优化设计以及新材料的应用。纤维增强树脂基复合材料因具有高的比强度，在航空航天、汽车制造、轨道交通等众多领域得到广泛使用。
根据树脂基体的不同，纤维增强复合材料可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。相较而言，热塑性复合材料具有更高的韧性和抗冲击性能、良好的耐湿与耐热性；同时，热塑性预浸料存放条件宽松、废料可回收再利用，因此被称为“绿色材料”。鉴于上述优点，热塑性复合材料的研发与应用愈发受到重视。
热塑性复合材料成型工艺主要包括热压罐成型、RTM液体成型和模压成型等方式。其中，模压成型具有生产效率高、生产成本低和制品尺寸精度高等优点。传统模压成型采用成型模具对热塑性预浸料进行加热处理，而模具升温速率较低；对于复杂型面制品，会出现预浸料与模具接触不充分、预浸料搭叠等情况，进而导致预浸料升温速率低、温度分布不均等问题，对制品质量产生严重影响。为解决上述问题，专利申请号为201710980535.3，发明名称为“一种模压工艺”的中国专利公开了一种用热塑性预浸料成型复合材料制件的模压工艺方法。其提出的解决方案为：用独立于热压设备的加热装置将热塑性预浸料加热到树脂基体熔融温度以上，进而转运至成型模具进行冲压成型。可以看出，熔融态预浸料在转运过程中将与周围空气进行热交换，导致温度下降和温度分布不均匀；此外，熔融态预浸料铺层刚度较小且具有一定粘性，将对转运操作产生影响且具有安全隐患。专利申请号为202010555861.1，发明名称为“热塑性复合材料一体化制品成型的生产设备及生产方法”的中国专利公开了一种设置有闭合循环传送链，传送链上安装有加热炉的热塑性复合材料一体化成型设备。所述成型方法为：利用传送链传送纤维预浸板，通过传送路径上安装的加热炉对预浸板进行加热，进而通过机械手臂将软化的预浸板夹持到模压模具中。可以看出，该技术方案所用设备复杂度和资金投入均较高；采用机械手臂对软化的预浸板进行转运仍存在一定难度。
综上，在复杂型面复合材料模压成型中，如何提高预浸板的加热速率与温度均匀性，如何降低熔融态预浸板的转运难度及生产成本，是亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提出了一种适用于复杂型面的热塑性复合材料一体化快速成型方法，可在保证预浸料加热速率和温度均匀性的前提下，有效解决熔融态预浸板的转运问题，提高制品质量并缩短生产周期。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种热塑性复合材料一体化快速成型方法，包括如下步骤：
步骤1、确定热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度和熔点温度；
步骤2、根据制品的形状、尺寸、铺层要求，对热塑性预浸料进行裁剪并完成铺层，铺层方向和厚度需根据制品实际要求确定；
步骤3、对铺层后的预浸料进行焊接处理，得到预浸板；
步骤4、清理成型模具，涂覆脱模剂；
步骤5、将成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上并保温，将焊接好的预浸板铺放于成型模具上；
步骤6、将可根据模具的几何形状而产生自然弯折的加热片组覆于预浸板上，加热片组温度设置在预浸板树脂基体的熔点温度以上；
步骤7、当预浸料树脂基体熔融后，移除加热片组，冲压合模成形，施加压力，保压固化；其中保压固化时间需根据所采用预浸料树脂基体的材质和制品厚度予以确定；
步骤8、卸压脱模，将制备的高温制品迅速转运至室温模具中合模降温，当制品冷却至玻璃化转变温度以下的温度后，脱模获得制品并清理模具；所述室温模具与成型模具的结构、尺寸相同。
进一步的，步骤3中，采用超声波点焊机进行焊接处理，焊点位于预浸料铺层的外边缘；焊点间隔和数量需根据预浸料尺寸加以确定。
对预浸料铺层进行超声点焊处理，其目的在于保证预浸料铺层在加热过程和成型过程中不发生松散；同时提高各层预浸料间的接触紧密度，提高加热速率和温度均匀性。
进一步的，步骤4中，清理成型模具具体为先清理成型模具表面杂物，如粉尘颗粒、残留物料等，再用丙酮或乙酮溶剂擦拭成型模具表面。
进一步的，步骤5中，成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上30～50℃。
进一步的，步骤6中，加热片组温度设置在预浸板树脂基体的熔点温度以上30～50℃。
进一步的，步骤6中，所述加热片组为履带式结构，包括多个加热片和将所述加热片串接的加热丝；加热丝采用镍铬等合金制成；履带式的结构可使加热片组根据成型模具的几何形状而产生自然弯折，从而增大与预浸板间的接触面积，保证加热速率和温度均匀性。
加热片组可通过配置智能温控系统，实现对加热片组的升温速率、加热温度、恒温保温功能的调控。
进一步的，所述加热片与所述预浸板接触的一侧涂覆有脱模剂，便于加热结束后，加热片与预浸板顺利脱离。
进一步的，所述加热片为陶瓷加热片，或任何可变形材料、整体形状可变的加热片。
进一步的，步骤8中，所述室温模具可根据实际成型需求，配置冷却系统，以保证该模具维持在较低温度，从而提高热塑性复合材料制品的冷却定型效率。
进一步的，步骤8中，所述室温模具可根据实际成型需求，配置压力系统，以保证制品在冷却过程中不产生较大变形。
进一步的，所述热塑性预浸料为单向预浸带或平面织物预浸料。
相对于现有技术，本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法具有以下优势：
(1)本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法采用加热片组对热塑性预浸料进行加热，与独立的加热装置(如加热炉等)相比，设备投入成本和场地面积要求显著减少；
(2)本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法将加热片直接铺覆于热塑性预浸料表面，热塑性预浸料则直接铺覆于成型模具表面，避免了成型前高温预浸料的转运过程，一体化成型效果更佳明显；
(3)本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法采用陶瓷加热片对热塑性预浸料进行加热，陶瓷加热片直接铺覆于热塑性预浸料表面，避免了采用独立加热装置时熔融态预浸料的转运问题，将大幅降低操作难度并提高制品质量；
(4)本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法所采用的可根据模具的几何形状而产生自然弯折的加热片组对热塑性预浸料进行加热，升温速率快、节能效果好、温度均匀；
(5)发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法采用成型模具之外的室温模具对热塑性复合材料制品进行冷却定型处理，有效降低传统模压成型中随热成型模具冷却定型的时间，将大幅提高生产效率；同时避免了传统模压成型中热成型模具的反复升温、降温过程，在提高生产效率的同时，也将有效减少能源消耗；
(6)发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法不仅适用于复杂型面的热塑性复合材料模压成型，也可用于热塑性复合材料的平板模压成型；且适用于各种材质纤维增强热塑性复合材料的模压成型。
附图说明
图1为本发明所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法的工艺流程示意图；
图2为本发明所述的加热片组的结构示意图。
附图标记说明：
1-加热片，2-加热丝。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
如图1所示，一种热塑性复合材料一体化快速成型方法，包括如下步骤：
S1、确定热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度和熔点温度；
S2、根据制品的形状、尺寸、铺层要求，对热塑性预浸料进行裁剪并完成铺层；
S3、采用超声波点焊机对铺层后的预浸料进行焊接处理，焊点位于预浸料铺层的外边缘，得到预浸板；
S4、清理清理成型模具表面杂物后，用丙酮或乙酮溶剂擦拭成型模具表面，再涂覆脱模剂；
S5、将成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上并保温，将焊接好的预浸板铺放于成型模具上；
S6、将可根据模具的几何形状而产生自然弯折的加热片组覆于预浸板上，加热片组温度设置在预浸板树脂基体的熔点温度以上；
如图2所示，加热片组为履带式结构，包括多个加热片1和将加热片1 串接的加热丝2；加热片1可以为陶瓷加热片，加热丝2采用镍铬等合金制成；加热片1与预浸板接触的一侧涂覆有脱模剂；
S7、当预浸料树脂基体熔融后，移除加热片组，冲压合模成形，施加压力，保压固化；
S8、卸压脱模，将脱模取出的高温制品迅速转运至室温模具中合模冷却定型；
S9、当制品冷却至玻璃化转变温度以下的温度后，脱模获得制品并清理模具。
实施例1
以碳纤维增强聚醚醚酮复合材料模压成型为例：
步骤1：确定聚醚醚酮的玻璃化转变温度在140℃附近，熔点温度在340 ℃附近；
步骤2：根据制品的结构形状和尺寸，确定预浸料的形状与尺寸并裁剪；
步骤3：根据制品要求，将裁剪好的预浸料进行铺层；
步骤4：采用超声波点焊机对铺层后的预浸料进行焊接处理得到预浸板；
步骤5：清理成型模具表面杂物，采用丙酮溶剂擦拭成型模具表面，随后涂覆脱模剂；
步骤6：将成型模具加热到170℃～190℃并保温，随后将焊接好的预浸板铺放于成型模具上；
步骤7：将陶瓷加热片组覆于预浸板上，陶瓷加热片组温度设置在370 ℃～390℃，陶瓷加热片与预浸板接触的一侧涂覆脱模剂；
步骤8：当预浸料树脂基体熔融后，移除陶瓷加热片组并启动成型设备，冲压模具合模并施加压力，进行保压固化；
步骤9：卸压脱模，随后将高温制品快速转运至室温模具中合模降温，当制品冷却至玻璃化转变温度以下，脱模获得制品并清理模具。
实施例2
以碳纤维增强聚苯硫醚复合材料模压成型为例：
步骤1：确定聚苯硫醚的玻璃化转变温度在90℃附近，熔点温度在290 ℃附近；
步骤2：根据制品的结构形状和尺寸，确定预浸料的形状与尺寸并裁；。
步骤3：根据制品要求，将裁剪好的预浸料进行铺层；
步骤4：采用超声波点焊机对铺层后的预浸料进行焊接处理得到预浸板；
步骤5：清理成型模具表面杂物，采用丙酮溶剂擦拭成型模具表面，随后涂覆脱模剂；
步骤6：将成型模具加热到120℃～140℃并保温，随后将焊接好的预浸板铺放于成型模具上；
步骤7：将陶瓷加热片组覆于预浸板上，陶瓷加热片组温度设置在320 ℃～340℃，陶瓷加热片与预浸板接触的一侧涂覆脱模剂。
步骤8：当预浸料树脂基体熔融后，移除陶瓷加热片组并启动成型设备，冲压模具合模并施加压力，进行保压固化。
步骤9：卸压脱模，随后将高温制品快速转运至室温模具中合模降温，当制品冷却至玻璃化转变温度以下的规定温度，脱模获得制品并清理模具。
本发明实施例中采用由陶瓷加热片串接的可根据模具的几何形状而产生自然弯折的陶瓷加热片组覆于预浸板上的方式，对预浸板直接接触加热，陶瓷加热片的升温速率大于15℃/min，升温速率快且均匀，同时焊接后的预浸板是直接铺覆在成型模具表面进行加热，既减少了转运流程和转运时间，又进一步保证了预浸料的温度均匀性。
现有技术中采用的马弗炉升温方式中，马弗炉的升温速率在5～10℃ /min，将炉温升至热塑性预浸料熔点温度之上需耗费较多时间。此外，高温预浸料在转运过程中温度将发生显著变化，加之转运后铺覆在模具表面的操作也将耗费一定时间，将加剧预浸料温度的不均匀性；同时，温度在熔点以上的预浸料刚度较小，转运过程中预浸料易产生较大变形。上述两点均将对制品的质量产生不良影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度和熔点温度；
步骤2、根据制品的形状、尺寸、铺层要求，对热塑性预浸料进行裁剪并完成铺层；
步骤3、对铺层后的预浸料进行焊接处理，得到预浸板；
步骤4、清理成型模具，涂覆脱模剂；
步骤5、将成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上并保温，将焊接好的预浸板铺放于成型模具上；
步骤6、将可根据模具的几何形状而产生自然弯折的加热片组覆于预浸板上，加热片组温度设置在预浸板树脂基体的熔点温度以上；
步骤7、当预浸料树脂基体熔融后，移除加热片组，冲压合模成形，施加压力，保压固化；
步骤8、卸压脱模，将制备的高温制品迅速转运至室温模具中合模降温，当制品冷却至玻璃化转变温度以下的温度后，脱模获得制品；所述室温模具与成型模具的结构、尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤3中，采用超声波点焊机进行焊接处理，焊点位于预浸料铺层的外边缘。
3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤4中，清理成型模具具体为清理成型模具表面杂物后，用丙酮或乙酮溶剂擦拭成型模具表面。
4.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤5中，成型模具加热到热塑性预浸料树脂基体的玻璃化转变温度以上30～50℃。
5.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤6中，加热片组温度设置在预浸板树脂基体的熔点温度以上30～50℃。
6.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤6中，所述加热片组为履带式结构，包括多个加热片和将所述加热片串接的加热丝。
7.根据权利要求6所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：所述加热片与所述预浸板接触的一侧涂覆有脱模剂。
8.根据权利要求6所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：所述加热片为陶瓷加热片。
9.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：步骤8中，所述室温模具配置有冷却系统；优选的，所述室温模具还配置有压力系统。
10.根据权利要求1所述的热塑性复合材料一体化快速成型方法，其特征在于：所述热塑性预浸料为单向预浸带或平面织物预浸料。
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2021
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